创新背景

任何曾经拖延过的人都知道，记住自己需要做某事和根据这些知识采取行动是两回事。为了了解学习如何改变神经细胞并导致不同的行为，研究人员对相对简单的蠕虫神经系统进行了研究。

创新过程

东京大学的研究团队使用“机器人显微镜”技术将神经元活动转化为行为反应，探究蠕虫的神经系统如何影响其行为。

“机器人显微镜”技术涉及对蠕虫进行基因改造，将荧光标签添加到特定分子上。然后，显微镜在蠕虫爬行时检测并跟踪荧光，研究人员观察蠕虫神经系统中的化学信号如何在清醒的、不受约束的动物中穿过单个神经元并在它们之间传播。

研究中使用的蠕虫是秀丽隐杆线虫，它不吃纯盐，但研究人员可以通过训练蠕虫使其将环境中的高盐或低盐含量与食物联系起来。当转移到任何新环境时，训练有素的蠕虫将开始使用盐含量作为它们应该去哪个方向的线索来寻找食物。例如，如果蠕虫学会了在高盐地区期待食物，但它们注意到盐含量在行动时正在下降，蠕虫会停下来改变方向以试图找到更高的盐含量。通过额外的训练，蠕虫还可以学习相反的食物。

神经可塑性即大脑改变和“重新连接”神经元的能力，这对于任何学习行为都是必不可少的。不同的环境线索（高盐或低盐）如何导致相同的物理行为（停止和改变方向）需要进一步探索，许多动物表现出这种灵活的学习行为模式。

同一记录的三个视图显示，蠕虫从盐浓度较高的区域开始，向较低的盐浓度移动，停止，然后改变方向返回高盐区域。黑圈是容器中的支柱，就像减速带一样，减慢蠕虫的速度，以便显微镜可以跟踪其运动。当蠕虫反转方向时，GcaMP6s信号（中间）变得更亮。左：秀丽隐杆线虫在正常白光下观察，在研究中检查的神经元周围画了一个正方形。中图：基因编码GCaMP6的荧光图，表明一个神经元正在向另一个神经元发送信号。右：mCherry的荧光灯视图，mCherry是添加到与GcaMP6相同的神经元上的荧光标签。

这种类型的行为需要一个感觉神经元、运动神经元和中间神经元，感觉神经元可以检测盐，运动神经元负责控制行为和运动，中间神经元在其他两种类型之间进行通信。虽然秀丽隐杆线虫在整个1厘米长的身体中只有302个神经元，但这些相同类型的神经元存在于人类中，并使用相同的信号分子进行交流。

研究人员表示，这种信号分子是谷氨酸，被广泛认为是大脑最重要的信号分子之一。如果谷氨酸信号传导存在缺陷，可能会导致阿尔茨海默病或其他神经元疾病。

东京大学团队的新数据发现，同一中间神经元上的两种不同类型的谷氨酸受体参与了蠕虫的行为。抑制性和兴奋性谷氨酸受体以相同的模式做出反应，但根据蠕虫是否学会寻求高或低盐浓度，强度不同。

控制运动神经元向神经元间谷氨酸受体发出的信号的确切机制尚不清楚，研究下一步将探索感觉神经元和中间神经元如何通信。

创新关键点

利用“机器人显微镜”技术对蠕虫进行基因改造，明确其神经系统之间信号传递的机制，探究中间神经元在食物寻找行为中的作用。